1.2.1.3 Структурные схемы операционных усилителей (Материалы по всему курсу схемотехники (необработанное))

Структурные схемы операционных усилителей

Рассмотрим внутреннюю схемотехнику операционных усилителей. Она тесно связана со схемотехникой аналоговых ИС других типов. Обобщенная структурная схема ОУ показана на Рис. 1. Она содержит два каскада усиления и эмиттерный повторитель на выходе. Коэффициент усиления по напряжению каждого из двух каскадов усиления обычно лежит в пределах от 300 до 1000, а коэффициент усиления эмиттерного каскада обычно равен 1, поэтому общий коэффициент усиления на низких частотах ОУ без обратной связи в пределах 10⁵10⁶.

Рис. 1 Обобщенная структурная схема ОУ

Выходной каскад эмиттерного повторителя имеет выходное сопротивление, позволяющее усилителю работать на достаточно низкоомную нагрузку. Этот каскад имеет двухтактную конфигурацию, так что ОУ может работать либо как источник, либо как потребитель выходного тока.

Все каскады ОУ непосредственно связаны друг с другом, т.е. в схеме отсутствуют межкаскадные или другие «обходные» емкости. Для устойчивой работы в режиме с обратной связью необходимо свести к минимуму общий фазовый сдвиг ОУ без обратной связи. Поскольку каждый каскад усиления вносит дополнительный фазовый сдвиг, необходимо минимизировать число каскадов усиления при сохранении большого коэффициента усиления по напряжению всего усилителя (без обратной связи). Первые интегральные ОУ имели три каскада усиления, в настоящее время почти все ОУ имеют только два каскада, поэтому для получения общего большого коэффициента усиления без обратной связи (10⁵10⁶) каждый каскад должен иметь очень большой коэффициент усиления.

ОУ на полевых транзисторах являются исключением из общего правила двухкаскадных усилителей. Полевые транзисторы используются либо только во входных каскадах, либо во всей схеме ОУ. Преимуществами таких ОУ являются очень высокое входное сопротивление и очень низкие входные токи. Однако из=за очень малой передаточной проводимости полевых транзисторов и, следовательно, коэффициента усиления по сравнению с биполярными транзисторами некоторые ОУ на полевых транзисторах имеют три каскада усиления.

В тех случаях, когда требуются предельно малые значения напряжения смещения и его температурный дрейф, проектируют ОУ с преобразованием сигнала. Рассмотрим структурную схему ОУ МДМ, т.е. ОУ, содержащего канал с модуляцией, усилением на переменном токе и последующей демодуляцией сигнала. Структурная схема ОУ МДМ приведена на . Она состоит из двух параллельных каналов: верхних частот - на пассивной цепи R1, C1 и постоянного тока и нижних частот - с модуляцией и демодуляцией сигнала (МДМ). С помощью входного фильтра Ф1 из входного напряжения U_ВХ выделяется сигнал постоянного тока и низких частот, который подвергается амплитудной модуляции модулятором М. Переменная составляющая с его выхода усиливается усилителем переменного тока У~ и затем с помощью демодулятора ДМ подвергается синхронной демодуляции и фильтрации выходным фильтром Ф2. В результате на выходе МДМ (выходе Ф2) восстанавливается постоянная и низкочастотная составляющая входного напряжения, но усиленная в K_МДМ (коэффициент усиления канала МДМ) раз. Выход МДМ подключен к неинвертирующему входу основного ОУ - DA1. Для управления работой М и ДМ служит генератор управляющих напряжений ГУ с частотой преобразования f_ПР.

Рис. 2 Структурная схема ОУ МДМ

Рис. 3 Структурная схема ОУ с периодической компенсацией дрейфа нуля

Еще одним способом построения прецизионных усилителей с малым напряжения смещения является периодическая компенсация дрейфа. Структурная схема ОУ построенная по этому принципу приведена на Рис. 3. Рассмотрим работу усилителя по структурной схеме. ОУ с периодической компенсацией дрейфа работает в двух режимах. Режим 1 -ключи в положении 2. В этом режиме ко входу усилителя DA2, который включен в режиме повторителя, подключен конденсатор С1. На выходе повторителя и на конденсаторе С1 присутствует напряжение смещения усилителя DA2. Усилитель DA1 в режиме 1 повторяет напряжение на конденсаторе С2. В режиме 2 (ключи в положении 1) на вход разомкнутого усилителя DA2 подается входное напряжение, которое суммируется с напряжением на конденсаторе С1 (на этом конденсаторе хранится напряжение смещения усилителя DA2). На входе усилителя DA2 присутствует собственное напряжение смещения, которое компенсируется напряжением на конденсаторе. В результате в режиме 2 напряжение на выходе DA2 и на конденсаторе С2 будет определяться выражением:

Как видно из этого выражения на выходе усилителя отсутствует ошибка от напряжения смещения. Выходное напряжение запоминается на конденсаторе С2, для того чтобы напряжение на выходе DA1 не изменялось при переключении схемы в режим 1. Итак, конденсатор С1 служит для запоминания напряжения смещения DA2, которое используется для коррекции входного напряжения, а конденсатор С2 служит для запоминания откорректированного входного напряжения усиленного в K_уU раз. Усилитель DA1 служит как буферный усилитель для передачи сигнала с конденсатора C2 на выход. Естественно, усилитель DA1 вносит свою ошибку от собственного напряжения смещения, но его ошибка усилится только в 1 раз, а входное напряжение уже усилилось в K_уU раз. Это аналогично уменьшению напряжения смещения в K_уU раз. По подобному принципу построены микросхемы К140УД21, К140УД24.